Per una radice: controlla il cambio di segno per la bisezione, oppure calcola f e f′ per Newton, e mantieni sei o più cifre in una tabella di iterate.
Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
Per un integrale: trova h = (b − a)/n, elenca f in ogni nodo, applica i pesi (1, 2, …, 2, 1 per i trapezi; 1, 4, 2, …, 4, 1 per Simpson con n pari) e moltiplica per h/2 o h/3.
Per un’equazione differenziale: avanza da t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Eulero) o con la pendenza media (Heun), una riga per passo, fino a raggiungere il t richiesto.
2Esercizi
1.Equazioni differenzialiMedia
Risolvi y″ + 2y′ + y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = -2. Trova y(0,5).
y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(0.5) =
2.Equazioni differenzialiDifficile
Risolvi y″ + 2y′ + 26y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(1); angoli in radianti.
y″ + 2y′ + 26y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1) =
3.IntegraliMedia
Calcola I = ∫₁6 x·ln x dx.
∫₁6 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = x.
y = 0,5x2y = x
A =
5.DerivateMedia
Sia f(x) = x·sin(x), con x in radianti. Trova f′(2).
f(x) = x·sin(x)x = 2 rad
f′(2) =
6.DerivateDifficile
La retta tangente a f(x) = 2x2 + 2x in x = 2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.
f(x) = 2x2 + 2xx = 2
b =
7.Metodi numericiMedia
La velocità di un veicolo è misurata ogni 2 s (tabella). Stima lo spazio s percorso da t = 0 a t = 12 s con la regola dei trapezi.
h = 2 sn = 6
s = m
8.Metodi numericiDifficile
Esegui un passo del metodo classico di Runge–Kutta (RK4) con h = 0,2 per y′ = t² + y², y(0) = 1. Trova y₁ ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,2
y1 =
3Soluzioni
1.Equazioni differenziali
Risposta: y(0.5) = 1,213
Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.
Radice doppia
(r + 1)² = 0 → r = −1
Costanti
A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = -2 + 2 = 0
Calcola
y(0,5) = (2 + 0·0,5)·e−0,5 = 1,213
Risposta
y(0,5) = 1,213
2.Equazioni differenziali
Risposta: y(1) = 0,0676
Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.
Radici complesse
r = −1 ± 5j
Costanti
A = 2, B = 1·2/5 = 0,4
Calcola
y(1) = e−1(2·cos 5 + 0,4·sin 5) = 0,0676
Risposta
y(1) = 0,0676
3.Integrali
Risposta: I = 23,5
Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.
Scegli u e dv
u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2
Primitiva
∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4
Limiti
(18·ln 6 − 9) − (0 − 0,25) = 23,5
Risposta
I = 23,5
4.Integrali
Risposta: A = 0,6667
Integrali definiti: ∫ₐᵇ f(x) dx è l'area con segno tra il grafico e l'asse x da a a b. Trova una primitiva F (con F′ = f) e calcola F(b) − F(a). Regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'area tra due curve è ∫(superiore − inferiore) dx.
Punti di intersezione
0,5x2 = x → x = 0, x = 2
Integra superiore meno inferiore
A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667
Risposta
A = 0,6667
5.Derivate
Risposta: f′(2) = 0,077
Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.
Regola del prodotto e della catena
f′(x) = sin(x) + x·cos(x)
Sostituisci
f′(2) = 0,9093 + 2·(−0,4161) = 0,077
Risposta
f′(2) = 0,077
6.Derivate
Risposta: b = −8
Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.
Punto e pendenza
f(2) = 12
f′(x) = 4x + 2 → f′(2) = 10
Retta tangente in x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 12 − 10·2 = −8
Risposta
b = −8
7.Metodi numerici
Risposta: s = 211 m
Integrazione numerica: dividi [a, b] in n strisce di larghezza h = (b − a)/n con nodi x₀ … xₙ. Regola dei trapezi: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regola di Simpson (n pari): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’errore dei trapezi diminuisce come h² (maggiorazione (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|), quello di Simpson come h⁴, quindi Simpson è di solito molto più accurata a parità di nodi.
Somma pesata
9 + 2·14 + 2·19 + 2·21 + 2·19 + 2·19 + 18 = 211
Regola dei trapezi
s = (2/2)·211 = 211 m
Risposta
s = 211 m
8.Metodi numerici
Risposta: y1 = 1,253
Soluzione numerica di y′ = f(t, y): il metodo di Eulero avanza lungo la pendenza all’inizio di ogni passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Il metodo di Heun (Eulero migliorato) fa la media della pendenza all’inizio e in una previsione di Eulero: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Il metodo classico di Runge–Kutta (RK4) combina quattro pendenze: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’errore globale di Eulero è proporzionale a h, quello di Heun a h², quello di RK4 a h⁴.